负压时间对人工林杉木浸渍强化研究

吴 慧， 孙晓东， 李文豪， 肖 飞

(1.湖南省森林草原防火监测调度评估中心， 湖南 长沙 410000； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

随着天然林木材资源供给日益减少，人工林木材成为解决当前供需矛盾的关键[1]。杉木作为湖南地区广泛种植树种，其干形通直圆满，纹理美观，散发芳香气味，内含的“杉脑”具有良好的防霉耐腐性。因其材质轻、强度低、易燃等不足却限制其应用领域，人工林杉木强化改性是提高其应用性的有效途径[2-3]。

在杉木浸渍改性过程中，由于杉木没有管孔且纹孔封闭导致渗透性较差，极大影响浸渍效果[4-6]。根据流体力学中存在的空气栓塞原理，杉木孔隙中的残余空气是影响液体浸渍的重要原因[7-8]。鉴于现有浸渍工艺未能很好解决这一问题，本文采用硅酸钠溶液作为浸渍药剂[9-10]，在“负压-正压”浸渍工艺的基础上，适当延长负压时间，更多地排除木材中残余气体，探究负压时间对浸渍效果的影响，并对改性后杉木的物理力学性能进行对比分析，旨在更好的为杉木浸渍改性研究及应用提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用杉木购自衡阳市，其胸径为22～26 cm，在离地高度为2 m处截取1 m长原木段。将其统一锯制为300 mm×50 mm×50 mm(纵向×径向×弦向，后文与此一致)的试件备用，要求无裂纹、结疤、翘曲等缺陷。硅酸钠(500)购自国药集团化学试剂有限公司，质量分数20%的水溶液备用。

1.2 试验方法

锯制杉木3根为1组，放入浸渍罐中，采取负压-正压浸渍工艺进行改性，负压时间设定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个水平分别为0、30、60、120min，正压时间固定为2 h。将浸渍完成的试件和未处理对照组杉木共5组放入干燥箱中，含水率控制为10%～15%。根据GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》[11]将干燥好的试件锯制为20 mm×20 mm×20 mm、30 mm×20 mm×20mm、300 mm×20 mm×20 mm、70 mm×50mm×50 mm 4组规格，分别测试其增重率、密度、吸水率、抗压强度、抗弯强度和三切面硬度等物理力学性能。

2 结果与分析

2.1 木材密度与增重率

木材密度是木材性质的重要影响因素，与木材的众多物理力学性能有着密切的关系，直接影响着木材的力学性能，也是判断木材物理性质和浸渍改性效果的重要指标[12-13]。人工林杉木密度较小(一般为300～400 kg·m-3)，因而物理力学性能较差，较大程度上限制其应用领域和应用价值。经硅酸钠浸渍改性后，密度平均提升50%以上，水平Ⅳ的密度达到了548 kg·m-3(见表1)，已经达到了中档木材水平。

表1 杉木浸渍改性前后绝干密度对比Tab.1 Comparison of absolute dry density of Chinese fir before and after impregnation modificationkg·m-3组别浸渍前浸渍后Ⅰ360±39467±37Ⅱ348±31500±31Ⅲ319±9494±15Ⅳ350±17548±21

增重率是药剂浸入量的直观体现，是评价杉木浸渍效果的重要指标。对4个水平的试件进行增重率测试(见图1)，仅依靠正压浸渍的增重率为34.01%，但随着负压时间的增加，增重率呈现出逐步上升的趋势，当负压时间超过水平Ⅲ后，增重率均超过了50%，浸渍效果相比于仅正压浸渍提升极大。由此可知：负压时间在负压-正压浸渍工艺中起重要作用，负压时间越长浸渍效果越好，其主要原因是木材细胞孔隙中存在的空气未全部排出，在正向加压时会被浸入的液体压缩，导致液体难以渗入；当外部正压压力撤除后，原有被压缩的气体膨胀还会把部分浸入的药剂排出，从而严重影响浸渍效果；随着负压时间的延长，杉木中空气残留极少，正压后药剂浸入更充分，且几乎不会在浸渍结束后被排出，因此浸渍效果更好，增重率逐步提升。

图1 负压时间对改性杉木增重率的影响Fig.1 Effect of negative pressure time on weight gain rate of modified Chinese fir

2.2 吸水率

耐水性能对木材使用耐久性至关重要，为探究负压时间对杉木耐水能力的影响，对素材和4个水平的试件进行吸水率测试，将制得试件置于超纯水中浸泡60 h，对比其吸水能力，改性后各组相对于对照组均有较大提升(见图2)。其规律与增重率一致，随着负压时间的增加，耐水性显著增强，在水平Ⅳ耐水性降低至61.50%时，相较于对照组提升了149%。究其原因是因为硅酸钠在木材孔隙中固化，填充了大量孔隙阻碍水分浸入杉木内部，负压时间越长，浸渍填充越彻底，耐水能力越强。

图2 负压时间对改性杉木60 h吸水率的影响Fig.2 Effect of negative pressure time on 60h water absorption of modified Chinese fir

2.3 力学性能(抗压强度、抗弯强度、硬度)

人工林杉木的力学性能较差极大限制了其应用范围，对4组规格改性杉木的抗压强度、抗弯强度和硬度进行性能测试，并与对照组进行对比(见图3和图4)。抗弯强度和顺纹抗压强度是对杉木是否适合作为承重构件综合评价的重要指标。由图3可知：改性后杉木的2种强度均得到较大提升。顺纹抗压强度提升幅度最大，改性2 h组的平均抗压强度达到了62.3 MPa，相比对照组提升了87%。抗弯强度的提升幅度较小，最佳性能组相较于对照组仅提升了27%，且负压时间对其影响也不太显著。其原因可能是抗弯件尺寸较长，改性硅酸钠浸入路径长阻碍大，容易导致浸渍不均匀进而影响其性能提升。但相较于仅正压试验组，正负压试验组依然体现出了优良改性效果。上述结果既体现了硅酸钠浸渍改性对杉木力学性能改善较佳，也证明了负压时间对于浸渍效果与强度呈正相关关系。

图3 负压时间对改性杉木抗压强度、抗弯强度的影响Fig.3 Effect of negative pressure time on compressive strength and flexural strength of modified Chinese fir

图4 负压时间对改性杉木硬度的影响Fig.4 Effect of negative pressure time on hardness of modified Chinese fir

硬度是木材的重要表面特性，关系到其耐磨性等性能[14]，由于人工林杉木的三切面硬度较低，导致杉木整体材质偏软，容易在其表面留下划痕，难以作为高档板面材料使用。由图4可知，硅酸钠固化后材质较硬，对提升木材的硬度作用极佳，改性后的4组规格杉木，硬度均得到提高，经过负压浸渍工艺改性的杉木提升更为明显。当纵向硬度提升超过5 kN，弦径向硬度达到2.5 kN左右时，负压时间的延长对硬度影响逐渐减弱，其原因可能是因为硬度测试的是杉木表层的性能，随着浸渍时间的增加杉木表层已完全被硅酸钠浸透固化，达到了一个饱和状态，因此硬度指标的提升逐渐平缓[15]。

3 结论与讨论

(1)在木材负压-正压浸渍工艺中，负压的设置有助于排出细胞腔内空气。当负压时间增加至1～2 h，能有效改善人工林杉木的浸渍强化效果，尤其是对密度、耐水性能、抗压强度等提升比较显著。

(2)负压时间并非越长越好，当达到一定饱和状态后，性能提升变得不再明显，因此根据木材种类及其本体性质合理设置延长负压时间是改善其浸渍强化效果的关键。

(3)尽管通过延长负压时间，硅酸钠浸渍改性人工林杉木的综合性能有明显提升，但对抗弯强度及硬度的影响不显著，这主要与木材的微观构造如导管、纹孔在木材纵向、径向、弦向的分布相关，浸渍路径过长，硅酸钠无法深度渗透，较大程度上会影响增强效果。

(4)今后的木材增强改性中仍需在负压-正压工艺的改善、改性药剂的选择及木材本体的渗透性提升等方面开展重点研究。